燒開水是生活中最常見的事之一,僅僅是開足火力並不能把水燒到110攝氏度,還需要考慮其它因素,主要是壓強。
水的沸點與壓強有關
應該很多人都知道,在標準大氣壓下,水的沸點是100攝氏度。需要注意一下,由於國際上對溫度計量標準的變更,使用攝氏溫標時,一個標準大氣壓下水的沸點為99.974℃。水中的雜質也會對水的沸點產生影響,不過我們這裡討論的是純淨水。
地球表面籠罩著一層厚厚的大氣層,在地球重力的作用下會產生大氣壓。氣溫0攝氏度,緯度45度的海平面上的氣壓被稱為標準大氣壓,其數值大小為101.325千帕,即每平方米要承受101325牛的壓力。一個標準大氣壓相當於760毫米汞柱產生的壓強,或者相當於10.339米水柱產生的壓強。
沸點是液體沸騰時的溫度,沸騰是一種劇烈的汽化現象。當液體沸騰時,其內部及表面同時汽化,在液體內部會產生大量氣泡。當氣泡中的飽和蒸汽壓與外界施加的壓強相等時,氣泡才能長大並上升,這就是液體沸點與氣壓有關的原因。通常,在一定範圍內,液體的沸點會隨著外界壓力的升高而升高。
水是液體,當然也遵守這個規律。在高海拔地區,比如青藏高原,那裡水的沸點就低於100攝氏度,水比較容易沸騰,因此,做飯時使用高壓鍋食物才比較容易熟,口感也更好。在深海熱泉口,那裡的壓力極高,水的沸點也可以達到幾百度。
水的沸騰是一種汽化,水汽化時需要吸收熱量。標準大氣壓下,一定質量和溫度的液體變為氣體時所吸收的熱量稱之為汽化熱(或蒸發熱)。在標準大氣壓下,1千克100攝氏度的水汽化時需要吸收2257千焦的熱量,相當於將0攝氏度的水加熱到100攝氏度時所需熱量的5倍。
除了沸點,水的沸騰現象還與汽化核有關
水壺燒水時是從壺底開始加熱,壺底會產生氣泡並逐漸上升破裂,整個沸騰過程圍繞著這些氣泡而進行,這些氣泡被稱之為汽化核。
如果用光滑的容器將比較純淨的水放在微波爐中進行加熱,而微波爐的加熱過程與水壺的加熱過程不同,微波爐加熱時水體受熱均勻,幾乎不會形成汽化核。由於缺乏汽化核,在標準大氣壓下,水的溫度即使達到沸點也不會沸騰,這被稱之為過熱現象。過熱液體極不穩定,當過熱的水受到外界擾動時,便會發生暴沸(爆炸性沸騰)現象。外界溫度突然急劇下降、搖晃、攪拌、投入雜質等,這些都屬於擾動。
暴沸非常危險,增加液體中的氣泡或雜質可以防止過熱熱體的形成。
一定質量的水,提供足夠的熱量,在一定壓強下才能加熱到110攝氏度
如果僅僅是不斷的加熱,在標準大氣壓下,水的溫度只會維持在100攝氏度,將會持續不斷的蒸發,直至容器中的水燒乾。
要想將水加熱到110攝氏度,1.5倍大氣壓就足夠了。我們無法改變大氣壓,卻可以改變燒水的容器,使用密閉性較好的燒水容器,就可以使水的溫度提高到110攝氏度以上。在密閉的容器中,加熱會產生一定量的水蒸氣,這些水蒸氣就會使容器內的氣壓增加。
水的比熱容為4.2千焦/(千克·攝氏度),氣壓和溫度僅會對水的比熱容產生微小的影響。大家可以試著算一下,將1千克15度的純水加熱到110度理論上至少需要多少熱量?
此外,水達到一定溫度,將會發生某些神奇的變化。在氣壓為22.1兆帕、水的溫度為374攝氏度時,水的密度與水蒸氣的密度一樣,已經分不清水和水蒸氣了,這種狀態被稱之為超臨界狀態。處於超臨界狀態的水具有某些神奇的效應,比如具有極強的氧化能力。
總結一下,在1.5倍的大氣壓下,就能將純淨水加熱到110攝氏度。